Разница между сценой на граните и интегрированными системами перемещения гранита

Выбор наиболее подходящей платформы линейного перемещения на основе гранита для конкретного применения зависит от множества факторов и переменных.Крайне важно понимать, что каждое приложение имеет свой собственный уникальный набор требований, которые необходимо понять и расставить по приоритетам, чтобы найти эффективное решение с точки зрения платформы движения.

Одно из наиболее распространенных решений предполагает установку отдельных этапов позиционирования на гранитную конструкцию.Другое распространенное решение интегрирует компоненты, составляющие оси движения, непосредственно в сам гранит.Выбор между платформой «сцена на граните» и платформой с интегрированным движением гранита (IGM) является одним из первых решений, которые необходимо принять в процессе выбора.Между обоими типами решений существуют четкие различия, и, конечно, у каждого есть свои преимущества и предостережения, которые необходимо тщательно понимать и учитывать.

Чтобы лучше понять этот процесс принятия решений, мы оцениваем различия между двумя фундаментальными конструкциями платформ с линейным перемещением — традиционным решением «сцена на граните» и решением IGM — как с технической, так и с финансовой точки зрения в виде механического устройства. пример подшипника.

Фон

Чтобы изучить сходства и различия между системами IGM и традиционными системами «сцена на граните», мы разработали два тестовых примера:

• Механический подшипник, сцена на граните
• Механический подшипник, IGM

В обоих случаях каждая система состоит из трех осей движения.Ось Y имеет ход 1000 мм и расположена на основании гранитной конструкции.Ось X, расположенная на мосту узла с ходом 400 мм, несет вертикальную ось Z с ходом 100 мм.Это расположение представлено пиктографически.

Для конструкции «сцена на граните» мы выбрали ширококорпусную сцену PRO560LM для оси Y из-за ее большей несущей способности, что характерно для многих приложений движения, использующих схему «разъемный мост Y/XZ».В качестве оси X мы выбрали PRO280LM, который во многих приложениях обычно используется в качестве оси моста.PRO280LM предлагает практический баланс между занимаемой площадью и способностью нести по оси Z полезную нагрузку клиента.

Для проектов IGM мы точно воспроизвели фундаментальные концепции проектирования и компоновку вышеупомянутых осей, с основным отличием в том, что оси IGM встроены непосредственно в гранитную структуру и, следовательно, лишены оснований из обработанных компонентов, присутствующих в стадии разработки. -гранитные конструкции.

Общим в обоих вариантах конструкции является ось Z, в качестве которой была выбрана ступень PRO190SL с шарико-винтовой передачей.Это очень популярная ось для использования на мостах в вертикальном положении из-за ее большой грузоподъемности и относительно компактного форм-фактора.

Рисунок 2 иллюстрирует конкретные исследованные системы «ступень на граните» и IGM.

Техническое сравнение

Системы IGM разрабатываются с использованием различных технологий и компонентов, аналогичных тем, которые используются в традиционных конструкциях «сцена на граните».В результате существует множество общих технических свойств между системами IGM и системами «сцена на граните».И наоборот, интеграция осей движения непосредственно в структуру гранита предлагает несколько отличительных характеристик, которые отличают системы IGM от систем, построенных на граните.

Фактор формы

Пожалуй, самое очевидное сходство начинается с основания машины — гранита.Хотя существуют различия в характеристиках и допусках между конструкциями «сцена на граните» и IGM, габаритные размеры гранитного основания, подступенков и моста эквивалентны.В первую очередь это связано с тем, что номинальный и предельный ходы стадий на граните и IGM одинаковы.

Строительство

Отсутствие осевых осей из обработанных компонентов в конструкции IGM дает определенные преимущества перед решениями «сцена на граните».В частности, уменьшение количества компонентов в структурном контуре IGM помогает повысить общую жесткость оси.Это также позволяет сократить расстояние между гранитным основанием и верхней поверхностью каретки.В данном конкретном случае конструкция IGM предлагает на 33% меньшую высоту рабочей поверхности (80 мм по сравнению со 120 мм).Эта меньшая рабочая высота не только обеспечивает более компактную конструкцию, но также уменьшает смещение машины от двигателя и энкодера до рабочей точки, что приводит к уменьшению ошибок Аббе и, следовательно, к повышению производительности позиционирования рабочей точки.

Компоненты оси

Если посмотреть глубже в конструкцию, то можно заметить, что решения Stage-on-Granite и IGM имеют общие ключевые компоненты, такие как линейные двигатели и энкодеры положения.Общий выбор силового устройства и магнитной дорожки приводит к эквивалентным возможностям по выходному усилию.Аналогично, использование одних и тех же энкодеров в обеих конструкциях обеспечивает одинаково высокое разрешение для обратной связи по позиционированию.В результате линейная точность и повторяемость существенно не отличаются между решениями «сцена на граните» и IGM.Подобная компоновка компонентов, включая разделение подшипников и допуски, приводит к сопоставимым характеристикам с точки зрения геометрических ошибок (т. е. горизонтальной и вертикальной прямолинейности, тангажа, крена и рыскания).Наконец, опорные элементы обеих конструкций, включая прокладку кабелей, электрические ограничители и упоры, принципиально идентичны по функциям, хотя они могут несколько отличаться по внешнему виду.

Подшипники

Для этой конкретной конструкции одним из наиболее заметных отличий является выбор подшипников линейных направляющих.Хотя шарикоподшипники с рециркуляцией используются как в системах «сцена на граните», так и в системах IGM, система IGM позволяет включать в конструкцию более крупные и жесткие подшипники без увеличения рабочей высоты оси.Поскольку конструкция IGM опирается на гранит в качестве своей основы, а не на отдельное основание из механически обработанных компонентов, можно вернуть часть вертикальной площади, которая в противном случае была бы занята обработанным основанием, и по существу заполнить это пространство более крупными объектами. подшипники, при этом уменьшая общую высоту каретки над гранитом.

Жесткость

Использование подшипников большего размера в конструкции IGM оказывает существенное влияние на угловую жесткость.В случае широкофюзеляжной нижней оси (Y) решение IGM обеспечивает более чем на 40 % большую жесткость по крену, на 30 % большую жесткость по тангажу и на 20 % большую жесткость по рысканию, чем соответствующая конструкция со ступенькой на граните.Точно так же мост IGM обеспечивает четырехкратное увеличение жесткости по крену, удвоение жесткости по тангажу и более чем на 30% большую жесткость по рысканью, чем у его гранитного аналога.Более высокая угловая жесткость является преимуществом, поскольку она напрямую способствует улучшению динамических характеристик, что является ключом к повышению производительности машины.

Грузоподъемность

Более крупные подшипники решения IGM обеспечивают значительно более высокую грузоподъемность, чем решение «сцена на граните».Хотя базовая ось PRO560LM решения «Сцена на граните» имеет грузоподъемность 150 кг, соответствующее решение IGM может вместить полезную нагрузку 300 кг.Аналогично, ось моста PRO280LM Stage-on-Granite выдерживает 150 кг, тогда как ось моста решения IGM может выдерживать до 200 кг.

Движущаяся масса

Хотя более крупные подшипники в осях IGM с механическими подшипниками обеспечивают лучшие угловые характеристики и большую грузоподъемность, они также поставляются с более крупными и тяжелыми грузовиками.Кроме того, каретки IGM сконструированы таким образом, что некоторые механические детали, необходимые для оси «ступень на граните» (но не требуемые для оси IGM), удалены, чтобы увеличить жесткость детали и упростить производство.Эти факторы означают, что ось IGM имеет большую движущуюся массу, чем соответствующая ось ступени на граните.Неоспоримым недостатком является то, что максимальное ускорение IGM ниже, если предположить, что выходная мощность двигателя не изменится.Тем не менее, в определенных ситуациях большая движущаяся масса может быть выгодной с точки зрения того, что ее большая инерция может обеспечить большую устойчивость к возмущениям, что может коррелировать с повышенной стабильностью положения.

Структурная динамика

Более высокая жесткость подшипника системы IGM и более жесткая каретка обеспечивают дополнительные преимущества, которые становятся очевидными после использования пакета программного обеспечения для анализа методом конечных элементов (FEA) для выполнения модального анализа.В этом исследовании мы исследовали первый резонанс движущейся каретки из-за его влияния на полосу пропускания сервопривода.Каретка PRO560LM испытывает резонанс при частоте 400 Гц, тогда как соответствующая каретка IGM испытывает тот же режим при частоте 430 Гц.Рисунок 3 иллюстрирует этот результат.

Более высокий резонанс решения IGM по сравнению с традиционной сценой на граните можно частично объяснить более жесткой конструкцией каретки и подшипников.Более высокий резонанс каретки позволяет иметь большую полосу пропускания сервопривода и, следовательно, улучшать динамические характеристики.

Рабочая среда

Герметизация оси почти всегда обязательна при наличии загрязнений, возникших в процессе работы пользователя или иным образом присутствующих в среде машины.Решения «сцена на граните» особенно подходят в таких ситуациях из-за закрытого характера оси.Например, линейные столики серии PRO оснащены твердыми крышками и боковыми уплотнениями, которые в разумной степени защищают внутренние компоненты столика от загрязнения.Эти ступени также могут быть оснащены дополнительными очистителями столешницы, которые будут сметать мусор с верхней твердой обложки при перемещении ступени.С другой стороны, платформы движения IGM по своей природе открыты, с открытыми подшипниками, двигателями и энкодерами.Хотя это не является проблемой в более чистых средах, это может стать проблемой при наличии загрязнения.Эту проблему можно решить, включив в конструкцию оси IGM специальную сильфонную крышку, обеспечивающую защиту от мусора.Но при неправильной установке сильфоны могут отрицательно влиять на движение оси, воздействуя на каретку внешними силами, когда она движется по всему диапазону перемещения.

Обслуживание

Удобство обслуживания является отличительной чертой платформ «сцена на граните» и подвижных платформ IGM.Оси с линейными двигателями хорошо известны своей надежностью, но иногда возникает необходимость проведения технического обслуживания.Некоторые операции по техническому обслуживанию относительно просты и могут быть выполнены без снятия или разборки соответствующей оси, но иногда требуется более тщательный демонтаж.Когда подвижная платформа состоит из отдельных ступеней, установленных на граните, обслуживание становится достаточно простой задачей.Сначала демонтируйте сцену из гранита, затем проведите необходимые ремонтные работы и установите ее заново.Или просто замените его новым этапом.

Решения IGM иногда могут оказаться более сложными при проведении технического обслуживания.Хотя замена одной магнитной дорожки линейного двигателя в этом случае очень проста, более сложное обслуживание и ремонт часто включают полную разборку многих или всех компонентов, составляющих ось, что требует больше времени, когда компоненты монтируются непосредственно на гранит.Кроме того, сложнее совместить оси гранита друг с другом после выполнения технического обслуживания — задача, которая значительно проще при использовании дискретных этапов.

Таблица 1. Краткое изложение фундаментальных технических различий между механическими подшипниками и решениями IGM.

Экономическое сравнение

Хотя абсолютная стоимость любой системы перемещения будет варьироваться в зависимости от нескольких факторов, включая длину перемещения, точность оси, грузоподъемность и динамические возможности, относительное сравнение аналогичных систем движения IGM и систем движения «сцена на граните», проведенное в этом исследовании, позволяет предположить, что решения IGM являются способны обеспечить движение со средней и высокой точностью при умеренно меньших затратах, чем их сценические аналоги.

Наше экономическое исследование состоит из трех основных компонентов затрат: детали машин (включая как изготовленные, так и приобретенные компоненты), сборка гранита, а также труд и накладные расходы.

Детали машин

Решение IGM предлагает заметную экономию по сравнению с решением «сцена на граните» с точки зрения деталей машин.В первую очередь это связано с отсутствием у IGM сложно обработанных оснований сцен по осям Y и X, что усложняет и увеличивает стоимость решений «сцена на граните».Кроме того, экономию средств можно объяснить относительным упрощением других обрабатываемых деталей в решении IGM, таких как движущиеся каретки, которые могут иметь более простые функции и несколько более мягкие допуски, если предназначены для использования в системе IGM.

Гранитные сборки

Хотя гранитные сборки «основание-подступенок-мост» как в системе IGM, так и в системе «ступенька на граните», по-видимому, имеют одинаковый форм-фактор и внешний вид, гранитная сборка IGM немного дороже.Это связано с тем, что гранит в решении IGM заменяет обработанные основания сцены в решении «Сцена на граните», что требует от гранита, как правило, более жестких допусков в критических областях и даже дополнительных функций, таких как экструдированные надрезы и/или или стальные вставки с резьбой, например.Однако в нашем примере дополнительная сложность структуры гранита более чем компенсируется упрощением деталей машин.

Труд и накладные расходы

Из-за большого сходства в сборке и тестировании как системы IGM, так и системы «сцена на граните», существенной разницы в трудозатратах и ​​накладных расходах нет.

После того, как все эти факторы стоимости объединены, конкретное решение IGM с механическими подшипниками, рассмотренное в этом исследовании, примерно на 15% дешевле, чем решение с механическими подшипниками на гранитной площадке.

Конечно, результаты экономического анализа зависят не только от таких характеристик, как длина пути, точность и грузоподъемность, но также и от таких факторов, как выбор поставщика гранита.Кроме того, разумно учитывать затраты на доставку и логистику, связанные с приобретением гранитной конструкции.Особенно полезно для очень больших гранитных систем, хотя это верно для всех размеров, выбор квалифицированного поставщика гранита в непосредственной близости от места окончательной сборки системы также может помочь минимизировать затраты.

Следует также отметить, что данный анализ не учитывает затраты после реализации.Например, предположим, что возникает необходимость обслуживания системы движения путем ремонта или замены оси движения.Систему «Сцена на граните» можно обслуживать, просто сняв и отремонтировав/заменив поврежденную ось.Благодаря более модульной сценической конструкции это можно сделать относительно легко и быстро, несмотря на более высокую первоначальную стоимость системы.Хотя системы IGM, как правило, можно приобрести по более низкой цене, чем их ступенчатые аналоги, их сложнее разбирать и обслуживать из-за комплексного характера конструкции.

Заключение

Очевидно, что каждый тип конструкции движущейся платформы — сцена на граните и IGM — может предложить определенные преимущества.Однако не всегда очевидно, какой вариант является наиболее идеальным для конкретного приложения движения.Поэтому очень выгодно сотрудничать с опытным поставщиком систем движения и автоматизации, таким как Aerotech, который предлагает четко ориентированный на приложения консультативный подход для изучения и предоставления ценной информации об альтернативных решениях для сложных приложений управления движением и автоматизации.Понимание не только разницы между этими двумя разновидностями решений автоматизации, но и фундаментальных аспектов проблем, которые они должны решить, является основным ключом к успеху в выборе системы перемещения, которая отвечает как техническим, так и финансовым целям проекта.

От компании АЭРОТЕХ.